文摘
在过去的几十年里,干细胞在再生医学治疗已经获得了一个有前途的作用。小说的应用细胞疗法治疗心血管疾病有可能实现有效的心脏再生的雄心勃勃的目标。尽管临床前研究的高度积极的结果,I / II期临床试验的数据不一致和改善心脏重构和心脏性能被发现是非常有限的。心脏干细胞疗法面临的主要问题包括低效细胞交付网站的损伤,伴有低细胞保留和弱剩余的干细胞在组织再生的有效性。根据临床前和临床研究,各种干细胞(成人干细胞、胚胎干细胞和诱导多能干细胞)代表了迄今为止最具潜力的细胞类型。旁边的选择合适的细胞类型,研究人员已经开发出多种策略来产生“第二代”干细胞产品改进的再生能力。遗传和nongenetic修改,化学和物理预处理和生物材料的应用被发现显著提高移植干细胞的再生能力。在本文中,我们将概述近期的事态发展在干细胞工程的目标,促进干细胞交付和促进他们的心脏再生活动。
1。心血管疾病在现代世界
心血管疾病(心血管病)是全世界死亡和残疾的主要原因。仅在美国,大约有一百万,每年发生心肌梗死(MI),这些患者出现心力衰竭,目前诊断五百万例(1- - - - - -3]。由于高的患者数量和高成本的治疗心血管病也代表了一个严重的经济负担1,4]。心血管疾病包括各种影响心脏和血管疾病:冠心病、脑血管疾病,外周动脉疾病、风湿性心脏病、先天性心脏病、深静脉血栓形成和肺栓塞。其中,最常见的情况下组织的缺血与冠心病、中风和外周动脉疾病,占一半以上的心血管病(4]。
直到最近,心脏被认为是一个终末分化的器官再生的能力。然而,最近的研究证明,二十岁的时候,心肌细胞的更新率达到1%,而在70年下降到每年0.4% (2,5]。同时,即使没有诊断出心脏病,心脏超负荷或衰老过程与重大损失cardiomyocytes-up 2000万年度(比较,左心室心肌细胞包含2 - 4美元)。此外,急性MI等事件导致的损失数以十亿美元计的细胞,达到总数的25%的心质量(1]。由于心肌细胞内生再生在一个非常有限的程度时,这个细胞损失的补偿是通过纤维疤痕组织的形成,并损害心脏收缩性(2]。
2。细胞疗法对心血管Regeneration-An替代治疗方法
目前,还没有有效的药物或手术ischemia-mediated损伤的预防策略和完全受伤的心脏组织的再生6]。除了心脏再同步、血管成形术或心室辅助装置,一些药品申请的管理控制的高血压和血脂异常代谢症状(7]。特别是,当前所有药理治疗应用于心力衰竭主要是缓和:它们有助于提高生活质量,但不能改变疾病的进程。在这方面,唯一的治疗选择是心脏移植。同样,在心肌梗死治疗,即便是最成功的手术的发展被限制到一个改善血液供应通过操纵大型船只8]。同时,不能动手术的心脏病的关键机制之一是微血管病,微循环的缺乏是导致缺血。因此,当前医学发展不能显著改变MI的进程。
最后,治疗心血管病的现状的不足和发展安全、有效的治疗是必要的。基因和干细胞疗法及其组合的主要承诺策略。与目前应用的治疗方法,干细胞有可能刺激和支持心脏修复的内生机制,从而提供完整的基础的再生受损的心脏组织。
2.1。目前细胞类型应用
两个主要类别的干细胞(SCs)目前利用心脏再生医学:(1)多功能成人SCs和(2)多能胚胎SCs (ESCs)和诱导多功能SCs(万能),在移植分化衍生品进行或者移植后原位细胞分化[9- - - - - -11]。作为潜在的治疗,这两个群体进行特定的优点和缺点(10,11]。
ESCs和万能分享重要的好处:多能性,有效扩张在体外、可用性高的细胞数量,和机会创造细胞银行和现成的产品12,13]。此外,在万能,自体移植是可用的。同时,畸胎瘤的形成可能是由于要么余数多能细胞最终分化细胞分数或受损的原位分化(12]。此外,准备最后的治疗这些cells-either扩散或differentiation-requires长期文化的产物。反过来,这可能导致upregulation microrna常见的癌症和遗传和表观遗传异常的可能性增加11]。重要的是,使用同种异体的ESCs由于免疫系统反应可能意味着严重的并发症。此外,它已经引发了严肃的道德及法律争论了几十年(11]。
成人SC组由不同数量的干细胞和祖细胞,孤立的从各种来源,包括骨髓、血液循环,或固体居民组织。最常见的细胞类型如下:应用骨骨髓来源的单核细胞,造血SCs,内皮祖细胞,心脏SCs(二者)和间充质干细胞(msc)。心脏病患者的临床开发治疗非常先进的:大多数的临床路径进行了翻译。越来越多的临床前和临床试验已导致严重的积极成果的领域内对心血管疾病治疗成人干细胞和祖细胞移植。首先,使用细胞治疗再生产品在多个临床试验已经证明(更新(NCT01508910),PROCHYMAL (NCT00690066),西皮奥(NCT00474461),FINCELL (NCT00363324),等等)。此外,试图建立一个最佳匹配单元产品和病人的队列已经完美(NCT00950274)。此外,骨骨髓来源祖细胞被发现对患者产生积极影响最广泛MI-induced损害包括低基线的左心室射血分数(LVEF) (REPAIR-AMI (NCT00279175)、FINCELL和摄政(NCT00316381))。对于其他病人,二者等新兴细胞类型可能是合适的将计划中定义的和正在进行的临床试验(14]。重要的是,安全的同种异体的细胞疗法的可能性没有immunosensitization已经证明了msc及二者(波塞冬(NCT01087996),PROCHYMAL (NCT00690066)和全明星(NCT01458405),使“现成的”产品的生成。
成人SC移植相关的主要风险是罕见的,通常是可控的,所有细胞和类似产品:免疫原性和可能发生的心律失常(后者尤其是msc) [2,10]。综上所述,成人SCs的临床应用已被证明是安全的移植具有一定临床疗效的证据;因此,进一步可以发起的第二和第三阶段试验。与此同时,尽管这些不同的细胞类型的安全性和可行性已被证明在一些临床试验,对心脏有益的结果性能通常是非常有限的2,15,16]。尤其是,最成功的结果取得了二者(~ 10%功能改进在第一阶段临床试验)(17,18广泛应用于细胞类型),而其他导致平均3 - 5%的有益结果或者没有积极的影响(19]。
一种新方法对提高心脏再生最近被罗et al .,生成的功能化微粒子,模仿干细胞属性(20.]。作者使用可生物降解聚(lactic-co-glycolic酸)封装检查参与组成分泌腺的msc,紧随其后的是涂料的这些粒子MSC-derived膜。在移植到老鼠梗塞的心,这些人造细胞粒子表现出再生能力与msc。同样,同一组利用细胞膜源自二者制造“人造干细胞”产品,也发现显著增强心脏重构和功能在活的有机体内(21]。这些“人造干细胞的临床应用”类似物会克服所面临的障碍干细胞疗法,包括足够的细胞产品的贮存稳定性、刺激免疫反应,造成tumourigenicity细胞移植(22]。
2.2。目前细胞疗法的困难
分析现有的试验揭示了当前的问题和挑战,这对于心血管病正面临细胞疗法。首先,尽管大多数临床试验已经开始涉及成人SCs,分析的结果是相当具有挑战性。病人群体选择的主要原因是矛盾和变化的细胞群的选择。其他的限制目前成人SC疗法如下:可用分数骨骨髓来源的细胞的数量很低,成人SCs原位的复制能力有限而ESCs和万能,和成人SCs仅限于一定的血统。此外,细胞的再生能力下降与年龄和祖细胞动员体内可能也缺乏能力随着年龄的增长14,23,24]。
足够的细胞数量的交付受伤的网站也仍然是一个具有挑战性的问题。目前,报道细胞保留低于5 - 10%的速度,只要几分钟到几小时后应用程序中,不管政府的路线(25- - - - - -27]。分娩后,细胞的再生潜力往往是被可怜的移植和生存缺血性组织(28,29日]。这些因素可以解释,至少部分,为什么成人SC应用非常有限的治疗中获益(~ 4 - 5%的功能改善二者的主要研究除外)(19]。除了穷人提供足够的细胞数量,致畸和致癌的影响仍然是最大的担忧之一ESC和iPSC应用程序(见部分2.1)。
最后,这个有限的结果SC干预迫切需要改善的治疗特性应用细胞类型,以增加对心脏再生(图的影响1)。
3所示。策略来改善细胞疗法
3.1。选择最佳的细胞类型
浓缩的移植细胞对某些细胞群可以显著影响治疗的结果。最直观的例子是选择从骨髓细胞类型根据其性质和表面标记模式。特别是,统一的孤立的细胞分数显示一致的积极成果在多个临床试验(提高(NCT00224536)、REPAIR-AMI和FINCELL)与没有功能改善许多试验涉及未经选择的跨国公司(ASTAMI,赫柏,时间,和后期数据)。此外,浓缩的移植特定细胞类型的产品确保临床试验的结果的一致性,从而更可靠的结果。获得纯化的成人SCs从病人的组织,手工方法和半自动隔离设备应用了基于磁性细胞分选(30.]。
为居民二者,当前定义两个主要类别:(1)心脏祖细胞和(2)cardiospheres cardiosphere-derived细胞。到目前为止,八个不同的CSC亚型已确定根据他们的转录因子的表达和表面标记,包括c - kit,本来就31日]。
二者表达SC因子受体c - kit主要出现在心房心室的顶点可以孤立在非常低的密度和磁bead-based方法(32,33]。这些细胞是第一个CSC人口已经成功测试了在临床试验中,体现出深刻的增加心脏性能(17]。
Cardiospheres生成产物的外植体获得心脏切片(34,35]。值得注意的是,由于他们更大的大小(高达200μ米),他们的政府通过内路线(最常见的心血管病)熊microembolization[的风险36]。然而,cardiosphere-manufacturing方法的改进可以减少颗粒大小为50 - 100μ米,使其适用于安全交付通过冠状路线minipigs [37]。然而,cardiosphere-derived SCs表示发现了一个更好的治疗产品(38]。在第一阶段墨丘利的实验(NCT00893360)、自体cardiosphere-derived SCs注入患者心室功能障碍,导致减少梗死大小但缺乏实用性39]。因此,额外的临床试验需要发起进一步验证第一个有前景的结果,阐明二者的整个再生潜力。
ESCs的细胞选择的情况下,则主要涉及到纯粹的成功选择分化后细胞群。这有助于确保肿瘤发生的、未分化的细胞移植不是一起最后的电池产品。一些净化策略已建立,如表面标记隔离,手动浓缩,或密度梯度离心法40]。细胞浓缩根据耐药基因的表达或荧光蛋白是一种常用的方法,导致高纯度~ 95%的细胞群40,41]。相比之下,流式细胞术结合的抗体,针对特定的某些细胞表面标记类型(插入域受体激酶和血小板源生长因子受体α二者和signal-regulatory蛋白质α成人心肌细胞),代表另一种净化策略,遗传操作(不包括42- - - - - -45]。此外,lactate-based浓缩和应用纳米探针来检测特定类型细胞信使rna被用来生成iPSC-derived心肌细胞数量的纯度超过90% (46,47]。临床方面的兼容性,这是到目前为止喜欢应用净化方法排除基因改造。
在心血管疾病治疗的唯一临床试验启动使用ESC-derived心脏祖细胞(纯度99%),细胞被移植到患者的梗死面积严重心力衰竭。结果,在三个月随访,观察心律失常等并发症或肿瘤形成,而改善的症状从纽约心脏协会第三类我和LVEF的增加10%的报道(9]。然而,希望这些结果,更好的开发协议,需要更多的数据,和长期的证据的安全将早期祖细胞广泛临床实践(10,14]。
3.2。改善SC交付
细胞治疗心肌再生的结果很大程度上取决于SCs的成功交付,感兴趣的网站。到目前为止,两条主要路线的细胞政府已经应用于临床前和临床研究:(1)系统性(静脉)注入和(2)本地(心肌内的)移植48]。尽管静脉注射很容易应用和微创比本地移植路线,注入SCs广泛分布在整个身体和积累在肝脏,肺,脾(49,50]。此外,这种策略主要依赖于SC的归巢能力和细胞保留产品(51]。因此,心肌内的直喷技术一直是最首选的方法在临床前和临床试验31日]。然而,在分娩后细胞的移植仍然是一个非常低效的过程。大型和小型动物模型的研究,例如,猪,给了证据表明,超过90%的细胞被冲毁在移植后第一个小时(48,52- - - - - -54]。因此,使用SCs心脏再生的发展伴随着合适的设备以确保细胞产品到达目标站点。建立了几个高级交付策略以确保微创和有针对性的心肌细胞传递,包括3 d MyoStar®注射导管结合NOGA®机电映射系统中,二维荧光镜的制导系统螺旋™输液导管,和MyoCath™(55,56]。
3.2.1之上。生物材料的应用
生物材料的额外的应用可以提高细胞的交付到心肌梗塞在很大程度上,伴随着改善细胞保留。例如,细胞的封装使用水凝胶可以控制在细胞微环境的应用程序。将二者的嵌入到水凝胶矩阵深刻长期细胞保留和增加心脏再生三周后交付到老鼠梗塞的心(57]。同样,整合cardiosphere-derived SCs成hyaluronan-gelatin水凝胶三倍增强导致的细胞移植和改善左心室射血分数(LVEF)和新血管形成58]。Biomaterial-assisted细胞执行交付通过注入一个SC矩阵混合移植到心脏或cell-matrix补丁。这两个应该是无毒的生物相容性和可生物降解的形式降解产物(59]。固化的液体喷射方法需要生物材料移植后立即(59]。反过来,Patch-based策略意味着组织如结构的生成在体外移植前(60,61年]。
重要的是,这些生物材料可以包含功能分子,另外修改有利于交付SCs的治疗效果,与胰岛素样生长因子1 (igf - 1)、stromal-derived因子1 (SDF-1)和转化生长因子β(TGF -β)[48,59,62年,63年]。此外,oxygen-releasing支架开发增加O2水平在移植几个小时到几天,进一步提高应用SCs[生存和增殖63年- - - - - -65年]。生物材料和人工基底膜,cardiogel、纤维蛋白或胶原蛋白的生物可降解支架,代表支持附着力,分化,和不同类型的SCs扩散,包括ESCs和骨骨髓来源SCs演示了在小型和大型动物48,59]。脂肪msc,表明coinjection与纤维蛋白增加了50%的细胞保留4周后移植到小鼠的心(66年]。生物可降解支架的支撑效应也被证明与人类msc在一项研究中,纳入一个胶原蛋白矩阵和应用于大鼠心肌梗死(67年]。作者表明,人类MSC补丁应用导致改善舒张性能,显著提高血管的数量peri-infarct地区30%。同样,cell-supporting合成支架的应用诱发proangiogenic效果,如图所示在小鼠的心68年]。钟和同事使用血管内皮生长因子(VEGF)加载poly-l-lactic酸作为车辆二者移植到老鼠的心脏(69年]。微血管的密度显著增加了~ 25%,和更多的心肌细胞内确定梗塞的心脏组织细胞注射后4周。另一个例子是聚乙二烯fluoride-based支架,最近生产作为SC交付车辆心脏再生疗法。这些支架具有压电特性可能是有益的尤其是对心血管组织的应用程序。在体外与ESCs和ESC-derived心血管细胞研究已经证明的可行性聚偏二氟乙烯作为SC交付的车辆(70年]。
3.2.2。磁性细胞定位
磁靶向的概念意味着标签或加载SCs粒子对磁场以促进细胞指导感兴趣的区域。使用这种方法,不同的研究小组已经证明成功在体外和在活的有机体内结果。例如,Vandergriff和同事的一项研究表明,磁定位可以增加细胞保留和移植cardiosphere-derived SCs的老鼠心肌梗塞的~ 4倍相比,控制没有磁铁的应用(71年]。这种增强的细胞保留伴随着增强血管生成,较小的疤痕大小和改善心脏的性能。进一步在活的有机体内研究表明磁标记的移植和功能效益增加cardiosphere-derived SCs如果相比不属预定目标的组72年,73年]。类似的改进的细胞保留被沈观察et al。24小时的msc移植后大鼠心肌梗死模型。然而,这些动物的长期分析(三周)显示不明显的磁靶向和不属预定目标的细胞之间的差异(74年]。有趣的是,数据还表明,磁场强度过高会导致microembolization和阻碍的积极影响心脏性能(74年]。另一个前景看好的研究发表Cheng和同事在2014年(75年]。超顺磁的铁纳米粒子同时与两种抗体针对CD45共轭+治疗内源性SCs和受伤的心肌细胞75年]。静脉注射后,这些粒子的受伤的心肌老鼠和本地应用程序的磁场,CD45的目标+细胞梗塞的地区提高10倍,以及他们的治疗活动(75年]。重要的是,各种小型和大型动物的研究已经证明,磁性纳米颗粒也适用于追踪细胞通过成像[先生76年- - - - - -79年]。
到目前为止,已经使用在几个磁性粒子在体外和临床前研究(80年- - - - - -84年]。然而,一些安全问题需要解决之前广泛临床翻译。特别是,增加铁浓度可以增加细胞内的自由基水平(剂量依赖性的方式)84年]。此外,强磁场的应用可以增强或抑制对生物系统的影响或导致有毒的形成从细胞位于磁颗粒聚集84年- - - - - -86年]。此外,某些限制时应考虑使用磁性纳米颗粒成像移植SCs:很难区分磁化可行和死细胞;和长期的mri随访注入细胞受损是由于铁粒子的泄漏或被巨噬细胞吸收23,77年,87年]。同时,使用先生报告基因可能有助于解决这个问题。超表达转铁蛋白受体或铁蛋白通常用来增加细胞内铁浓度和深刻加强对比MRI跟踪(88年,89年]。
3.2.3。Ultrasound-Mediated SCs的交付
微泡造影剂的各种应用程序标记细胞随后ultrasound-mediated细胞定位是一种新型的技术,可以极大地促进细胞保留和移植的伤害。在这个概念,充气微气泡附着在SCs,声辐射力量从而变得高度敏感。因此,SCs可以放置并逮捕了在受伤部位使用冠脉内超声导管注入(90年,91年]。特别是在一只兔子模型中,microbubble-tagged msc和超声波的应用导致了150倍浓缩的细胞内腔表面(90年]。这样提高效率的细胞交付通过微/超声波系统被证实在大型动物模型(92年]。在这项研究中,增加MSC移植是伴随着轻微但显著改善心肌梗死后的心脏功能和心脏重构的狗(92年]。此外,Woudstra和他的同事们设计的微型气泡涂有抗体,针对SC-specific标记CD90和对内皮细胞粘附分子表达在梗塞的面积。这个实验装置允许特定的交付受损心肌在大鼠心肌梗死模型,而几乎没有细胞被发现noninfarcted地区(93年]。
3.3。Nongenetic修改SC效率的提高
一旦SCs送到梗塞的面积,长期生存和移植是先决条件充分发挥他们的治疗活动,建立成功的临床治疗。大量体外操作策略曾增加生存,自导,移植注射SCs [48,63年,94年]。Nongenetic方法和遗传细胞工程应用产生SC疗法的“第二代”,这应该接近再生医学的最终目标更新叛逃心脏组织与新功能的细胞。
3.3.1。缺氧预处理的SCs
受损宿主心肌组织内的微环境是移植SCs的主要障碍之一。低氧水平,失去营养供应,氧化应激,炎症介质阻碍成功的移植和移植后早期导致细胞死亡(95年]。缺氧SC移植前被发现的启动刺激内源性细胞防御机制,从而提高细胞生存和改善的有利影响SC疗法(96年- - - - - -98年]。在众多的临床前研究中,缺氧不同从几个小时到几天的时间,而缺氧的程度通常介于0.5%和3%之间(96年,99年]。研究Hosoyama et al .,移植hypoxia-preconditioned cardiosphere-derived SC床单在梗塞的老鼠心里改善左心室功能和减少梗死大小,SCs相比,在常氧条件下培养(99年]。类似的结果以前其他研究人员已经观察到应用hypoxia-preconditioned SCs小鼠MI-treated心(96年,One hundred.]。在一个大动物模型,应用msc受到缺氧的一天导致心室功能的显著增加,毛细血管密度在梗塞的猪心101年]。除了积极影响心脏功能和组织再生,缺氧也发现提高细胞移植,导致增加30%的SCs保留在缺血区(101年]。
底层机制调节低氧预处理的积极影响是多样的。细胞移植,这是表明缺氧增加科学家的表达趋化因子受体4 (CXCR4),参与细胞归巢受体(102年- - - - - -104年]。因此,SC迁移到梗塞组织是深刻的增强在活的有机体内,这也证明了在众多在体外研究[103年,105年- - - - - -108年]。此外,upregulation prosurvival和凋亡因子促进细胞存活后注入(96年,109年,110年]。这个更高的细胞生存能力还支持由一个低水平的有害活性氧观察到当细胞受到降低氧含量(One hundred.]。此外,缺氧激活许多信号通路,如AKT或MAPK,导致增加旁分泌因子的分泌,导致心脏再生(111年- - - - - -113年]。
3.3.2。预处理与药理代理人
预处理细胞药理代理人是另一个简单的和具有成本效益的方法来改善他们的治疗活动。Drug-mediated预处理促进某些旁分泌因子的释放,包括SDF-1、肝细胞生长因子(HGF),或IGF,反过来,是心脏损伤后再生的优势(110年,114年,115年]。此外,某些化学分子可以拥有凋亡属性增加因此应用SCs的生存。Rap1特别是药理激活,GTP-binding蛋白质,发现改善生存和移植msc和恢复功能的附着力MI-treated老鼠的心脏(116年]。同样,大麻素受体的选择性激活类型两个注射脂肪SCs积极影响重构过程和在小鼠心脏功能改善,可能通过提高旁分泌信号SCs和抗氧化损伤117年]。
旁分泌信号被证明的一个主要机制调解SCs的再生能力。同时,直接转换成心肌细胞也促成了SC治疗[提供的好处118年- - - - - -120年),药物治疗是促进肌原性的分化。例如,DNA脱甲基代理5-azacytidine广泛描述增强SCs cardiac-like细胞的分化在体外(121年- - - - - -124年]。此外,预培养5-azacytidine显著提升的心原性的分化能力msc移植到猪的心时,尽管积极影响心脏的性能没有检测到(125年]。后者是符合报告Mykhaylichenko et al ., 5-azacytidine-modified SCs没有深刻地改善心脏功能和形态参数,例如,梗死面积的大小(126年]。因此,小说药理战略需要建立促进心脏血统SCs的容量规格。然而,即使应用SCs证明移植后心脏标记物,成功整合进入宿主心肌是必需的,以显著提高收缩性。
值得注意的是,化合物的应用也是一个新兴的作用SC-based代的刺激或抑制心肌细胞的细胞信号通路如Wnt或骨形成蛋白(BMP) (127年- - - - - -129年]。这些小molecule-mediated编程/重组策略有助于提高质量在体外冲击波将适合移植的心肌细胞缺血性心来取代受损组织(130年,131年]。
3.3.3。生长因子和细胞因子的应用
除了药物,生长因子和细胞因子是强大的SC活动分子的影响。几个分子已被证明向心原性的血统决定细胞命运。例如,纤维母细胞生长因子(FGF)或BMP4承诺化合物促进SCs cardiac-like细胞或心肌细胞的分化,从而可以应用于主要细胞注射前(132年]。特别是,在二期C-CURE临床试验(NCT00810238),lineage-guided msc被发现是安全的和有益的慢性心脏衰竭(133年]。在这种情况下,msc在体外各种生长因子和细胞因子(TGF -βBMP4, FGF等)移植前模仿自然心原性的转换。因此,显著提高LVEF和6分钟步行距离的证明,这突出lineage-guided SCs的潜在治疗缺血性心力衰竭(133年]。
由于生长因子和细胞因子在细胞生理关键球员,他们被用来操纵不同的信号通路,以便修改SC属性除了细胞命运的承诺。例如,孵化之前SDF-1注入增强内皮祖细胞,促进血管生成的能力,表明通过增加网络的形成在体外(134年]。如图所示的帕夏et al ., SDF-1影射骨骨髓来源的移植msc在老鼠患MI显著提高心脏性能和心脏重塑的减少梗死面积和纤维化(135年]。趋化因子受体CXCR4受体激动剂的额外政府废除了观察msc的积极影响心肌修复。此外,SC效率的增强老鼠TGF -后也观察到α治疗,导致更大的缺血后心肌功能恢复比未经处理的细胞(136年]。作者建议应用SCs是基于一个提高效率的降低心肌的生产促炎细胞因子和TGF-mediated upregulation VEGF的预处理msc (136年]。
3.4。基因改造来提高SC效率
nongenetic方法相比,转基因是另一个概念来提高SC产品的效力。一般来说,基因改造的四个主要策略可以应用:由DNA蛋白质过度交付,基因沉默(例如,通过RNAi)基因编辑(取得,CRISPR / Cas9),和miRNA-based修改(137年,138年]。
3.4.1。基于dna的细胞修改
因为SCs的旁分泌活动是非常重要的为他们的再生能力(2),治疗因素可以引起的过度表达,通常细胞释放的支持对缺血心肌再生(VEGF、胶质瘤、IGF SDF-1, FGF,等等)(95年,139年]。例如,脂肪中提取的病毒转导msc与IGF - 1构造IGF的释放,增强VEGF, HGF和提高了射血分数6周后细胞注入大鼠与MI (140年]。然而,尽管igf - 1展示了对细胞有凋亡的影响移植在缺血性环境中,未发现移植细胞在这个时间点(141年]。这表明长期细胞生存在这个实验装置并不是提高igf - 1超表达。在类似的研究中,Gomez-Mauricio和同事诱导超表达igf - 1和HGF在脂肪中提取猪SCs其次是注射猪心肌梗死模型(142年]。动物接受这些修改细胞显示减少炎症和改善血管生成,虽然未发现有利于心脏功能参数的影响。
增加SC对宿主组织的细胞外基质,李等人选择了整合素β1作为超表达的靶蛋白的研究[143年]。因此,MI-treated老鼠心脏超声心动图显示~ 25%改善心脏的性能以及SC生存一周后移植。这是依照以前的观测毛等人表明操纵整合素信号通路是一个合适的工具促进MSC移植治疗结果的猪,包括降低纤维化程度,增加了心肌灌注,微脉管密度(144年]。其他承诺目标,对SC可行性也表现出积极的影响,是apoptosis-regulating bcl - 2蛋白和channel-forming connexin43 [95年,145年]。此外,超表达的蛋白质,包括NKX2.5 TNNIK,低氧诱导因子- 1,趋化因子受体CXCR4, AKT1,已经证明加强归航,生存和分化的SC (95年,146年,147年]。
综上所述,这些数据表明,SCs蛋白的过度表达可以显著提高他们的效率和支持心脏再生。同时,最常见的应用方法DNA传递细胞是病毒transduction-mainly由于其效率高(148年,149年]。然而,在临床翻译方面,使用病毒不佳是由于安全问题,包括诱变、肿瘤发生和潜在的宿主免疫反应。这可能是解决通过nonintegrating运载系统(包括病毒)。同样,使用DNA本身作为一个治疗性分子带有类似的风险,因为它可以随机插入,可能导致恶性转变。一个策略来减少不受欢迎的致癌基因的激活的应用程序是小说CRISPR / Cas9基因编辑技术,允许精确治疗基因插入相邻基因的SC基因组不会造成功能障碍(137年,138年]。
3.4.2。miRNA-Based细胞修改
microrna是小20-25-nucleotide-long非编码rna在mRNA水平调节基因的表达。自1993年发现以来,microrna已确定在各种细胞过程中起关键作用,包括发展,细胞命运的承诺,增殖,细胞信号(150年- - - - - -153年]。在心脏再生,microrna促进SC生存的能力通过增加抵抗高氧化应激是证明let-7b [154年]。针对caspase-3 let-7b调节细胞凋亡和自噬在msc。注射3天后,细胞的数量,居住在心脏梗塞的普通细胞相比高出两倍。此外,心脏功能恢复(154年]。同样,mir - 133, mir - 126, mir - 301工程SCs表现出一种改进的生存和移植后移植到MI-treated心(94年,155年,156年]。
除了prosurvival和导航活动,体外修改SCs的microrna也应用于调节他们的旁分泌活动。例如,转染后mir - 146的msc、VEGF的表达和旁分泌释放增强300%。反过来,这些促进了血管生成的影响在体外和在活的有机体内,导致降低纤维化和提高在小鼠心脏射血分数(157年]。同样,mir - 126和mir - 377被认定为有前途的候选人调节VEGF在细胞移植前的释放158年,159年]。相比使用描述microrna的模仿,增强血管生成能力的hiPSCs也是mir - 495抑制时实现。结果,增加新血管形成的梗塞的观察心脏冠状血管以及SCs的集成(160年]。
如前所述,移植细胞的分化转移有助于SCs的再生能力118年- - - - - -120年]。在这种情况下,调制的microrna的表达有利于引发心脏细胞的命运。这是在大量的调查在体外研究。特别是结合5-aza治疗和miR-1-2过度引起心脏基因的激活在msc通过wnt信号通路161年,162年]。同样,心脏血统规范的ESCs的增强在miR-1超表达(163年]。此外,let-7家族发现刺激ESC-derived心肌细胞的成熟164年]。
基于dna的方法相比,microrna的应用程序提供了可能引起瞬态效应,提高治疗SCs的属性。由于不需要改变的基因组,这后生修改可能有利于未来临床翻译。然而,随着microrna可以有多个目标,需要解决非目标效应当应用SC修饰符。此外,同一个基因的表达可以由几个microrna及其可能的补偿应该占据。
选择应用于临床试验和改进的策略在活的有机体内研究见表1。
3.5。组织预处理
受伤组织预处理是一个互补的方法预处理移植干细胞的策略。这种方法的主要原因是生产应用干细胞更有利的微环境,从而提高细胞移植(176年]。据报道,缺血后处理可以增加的有利影响MSC移植通过改善移植和细胞生存177年,178年]。最近,发现这些MSC注入积极的影响主要是归因于热情好客的环境(179年]。同样,药理预处理与他汀类药物的治疗效果促进生存和发现骨髓和脂肪SCs受损心肌(180年,181年]。此外,利用肢体语言使移植被网站更容易供者细胞。低能冲击波的应用被证明增加化学引诱物的表达因素在老鼠模型中慢性肢体缺血,导致一个增强招聘移植内皮祖细胞(182年]。在临床试验CELLWAVE最近的一份报告表明,预处理与冲击波增加注入骨骨髓来源的细胞归巢单核细胞细胞疗法的目标区域,促进了结果(170年]。
4所示。策略来改善msc
在心脏细胞作为细胞疗法中再生,msc是最具吸引力的原因之一。首先,msc可以很容易地分离出不同的组织,包括骨髓、外周血、脐带,脂肪组织(148年]。其次,他们可以被放大在体外并受遗传和nongenetic细胞工程修改,虽然可能体外培养的缺点应该贡献(见部分2.1)[95年]。msc的再生潜力已经证明了,而它的机械基础仍在调查之中。到目前为止,他们multilineage分化已经证明的能力,以及控制SC利基市场的能力(高碳钢和骨髓)和proangiogenic旁分泌因子的分泌(VEGF、基本FGF, PDGF) [183年]。此外,msc的免疫调节和免疫抑制活性已经被很好地描述在体外和在活的有机体内(148年,184年]。同时,报告MSC分化转移到心肌细胞是有争议的。
由于所有有益的属性描述msc,已经取得了很多进展将他们从基础研究到临床应用。虽然外源的的安全性和可行性和自体MSC移植已被证明在一些临床试验,得出的结论对他们的效率和治疗结果不同15,148年,185年)(表2)。因此,它是特别重要的开发临床相关的改进策略,可以用来修改msc。
在前面提到的工程方法应用于msc(部分3所示。1- - - - - -3所示。4),转基因可能是最有希望的一个,主要是因为它的多峰性和能力覆盖几个挑战SC药物治疗同时[186年]。例如,报告基因的引入允许隔离高纯度的细胞群通过流式细胞术或移植细胞的跟踪(例如,由于荧光灯或发光蛋白质)的表达(187年,188年]。此外,强迫心原性的潜力高表达某些因素的可移植细胞(189年]。的因素,此外,介绍负责动员等固有细胞属性,粘附、迁移,或集成,可以增强MSC保留和活动所需的地区(143年,190年,191年]。类似的结果可以通过增强内在细胞属性,也就是说,他们的生存在一个缺血性环境或旁分泌潜力(145年,191年,192年]。此外,广泛的治疗药物可以合并为了专门补充,促进了细胞的再生能力(159年,193年]。
4.1。改善MSC抵抗:诱导Prosurvival蛋白质
大量的在体外数据和临床前研究表明,msc overexpressing治疗分子显示更高的效力心血管病的治疗。例如,Akt-modified骨骨髓来源msc展出增加心肌的存活小鼠心脏移植后两周内(95年,110年]。对msc生存相似的有益影响在活的有机体内和在体外被过度诱导的凋亡基因如bcl - 2或热休克蛋白(110年,194年]。同样,igf - 1转换msc展出增加细胞内prosurvival水平因素,抑制细胞死亡后移植到缺血性心(95年,149年]。一个lentiviral-mediated整合素的过度β在msc 1深刻proapoptotic减少蛋白质,包括半胱天冬酶3和伯灵顿,,反过来,导致改善细胞生存一周后心肌内的注入大鼠心脏(143年]。
程序性细胞死亡的移植msc也引发了缺氧条件的梗塞的心脏组织。特别是HGF-1被发现增加overexpressing msc的抗低氧水平,恢复心脏功能在一个小鼠模型(195年]。此外,miRNA-based重组可以提高细胞存活率。Dakhlallah和同事设计msc通过引入mir - 133 a, proapoptotic基因的表达减少,导致2倍提高细胞移植后一周注射在MI-treated老鼠的心脏(155年]。此外,过度miR-1 miR-23a, mir - 210阻碍细胞死亡,延长生存在活的有机体内和在体外(95年]。
4.2。改善附着力和移植:感应归航因素和Cell-Matrix交互
一旦交付给受损的心脏组织,导航和MSC移植相当低。自从SC归航的主要监管机构之一在活的有机体内是SDF-1 / CXCR4信号轴,msc overexpressing趋化因子受体CXCR4演示了一个2倍增强自导能力相比,未经处理的msc (196年]。符合这一种更高层次的SDF-1和趋化因子受体CXCR4观察蛋白激酶C overexpressing msc、,反过来,导致增加的保留梗塞的老鼠心脏细胞数量控制msc(相比高出两倍190年]。同样,趋化因子受体CXCR4表达和MSC归航的刺激也记录白介素6 (197年]。
另一方面,信息接触和cell-matrix交互是重要的适当的附着力和移植。一组关键分子调停cell-matrix粘附和参与信号转导是整合素家族的蛋白质(198年]。因此,针对integrin-linked激酶被发现明显增加导航和再生能力intracoronary-injected msc在minipigs [199年]。两周后,作者发现高出4倍多的msc overexpressing integrin-linked激酶(199年]。此外,小说有前途的细胞因子,促进细胞移植msc最近被Bortolotti确定和他的同事们。他们使用一个在活的有机体内功能检测方法,发现cardiotrophin 1增加注入msc的持久性和保护心脏功能200年]。
除了蛋白进行靶向治疗,移植的移植细胞和自导受伤组织可以由miRNA-based修改:第一目的,mir - 133 a, mir - 126, miR-34a,结合miR-21, miR-24,据报道和mir - 221高效,mir - 150, mir - 146和miR-15a / 16岁,后者(155年,201年]。
4.3。改善血管化和心脏重塑:诱导Proangiogenic因素和microrna
新血管的形成的梗塞的面积内恢复心脏性能尤为重要。msc可以支持血管生成由以下机制:(1)发布的旁分泌因子刺激血管形成,(2)分化成内皮细胞或血管平滑肌细胞排列,和(3)作为血管周的细胞(148年]。所有这些功能都可以得到合适的细胞修改。
VEGF是调节新血管形成的关键因素之一在活的有机体内研究利用VEGF overexpressing msc显示改善血管生成在大鼠和小鼠模型(潜在的30%202年- - - - - -204年]。另一个信号级联显示关键的中介proangiogenic msc的影响磷酸肌醇3-kinase-Akt信号。由VEGF的过度表达,因此,针对这一途径HGF,或IGF导致改善血管化,收缩性,减少梗塞大小和心脏重塑在小鼠心肌梗死模型95年,205年]。
miRNA-based修改也可以应用于促进proangiogenic msc的属性。最近,这是表明转染的msc mir - 146——增加VEGF的分泌。比未经处理的msc、动物对待mir - 146 - a - msc表现出低50%程度的纤维化和显著增强的射血分数(157年]。同样,一个积极的影响血管生成和心脏功能是显示proangiogenic miR-21和mir - 126206年- - - - - -208年]。
此外,影响心脏重构,msc工程表达血红素oxygenase-1或thioredoxin-1,转录因子和细胞因子的抗氧化剂和监管机构,显示增加的心血管效应(209年,210年]。
值得注意的是,细胞的概念修改增加msc的治疗价值是强烈支持的C-CURE II期临床试验,由细胞因子hMSCs鸡尾酒的启动执行为了获得cardiopoietic lineage-specified细胞(133年]。这被证明是安全的细胞修改及其可行性,也启动了一个类似的试验表1 (NCT01768702)[171年]。与此同时,转基因msc在心脏再生的影响尚未研究的病人。然而,第一临床I / II期研究已经建立了这种形式的治疗胃肠道肿瘤和肺癌211年,212年]。在这些情况下,诱导抗肿瘤效果,msc被病毒载体改性生产抗癌疗法是肿瘤细胞归巢后发布的网站。对心脏病人来说,基因工程的安全和效益的msc仍需要平衡和广泛研究。
4.4。改善MSC-Derived液:减少纤维化和炎症
移植msc的有益的旁分泌作用,在某种程度上,由液的释放。这些都是细胞外囊泡直径30 - 100海里,含有多种分子,包括蛋白质,microrna,信使rna,从而发挥重要作用在信息交流213年,214年]。一些临床前研究了外来体管理治疗心血管病的好处。减少梗死面积的50%时达到液分离msc被注入梗塞的老鼠的心脏。此外,这种exosome-based治疗提升neoangiogenesis 40%和减少炎性细胞的浸润到梗塞的心室组织(215年]。在活的有机体内其他组获得的数据证实,MSC-derived液支持船的形成,抑制心脏重塑过程中,和保护泵功能的受伤的心216年- - - - - -219年]。有趣的是,在比较研究中,液被发现的有效性优于MSC注射在大鼠心肌梗死模型,表明心脏纤维化和炎症,以及心脏性能,显著提高治疗的外来体心(220年]。此外,张先生和他的同事们的荟萃分析证实了外来体的好处管理心脏再生(221年]。
重要的是,细胞工程学修改msc确也证明影响心血管的属性释放液(222年]。这可以作为一个工具来进一步促进外来体注入的积极成果。例如,液隔绝Akt overexpressing msc诱导新血管形成的2倍增强老鼠心脏LVEF(反映在深刻的改善223年]。因此,在体外数据显示,这些液显著增加增殖,迁移和网络形成内皮细胞的能力223年]。在先前发表的研究中,一个类似的促进对血管生成的影响在活的有机体内被描述为液源自msc overexpressing缺氧诱导因子- 1α(224年]。同样,净化液从msc overexpressing释放趋化因子受体CXCR4和GATA4发现心脏保护液相比有更高的潜力来自正常msc (225年,226年]。Exosome-mediated颗粒治疗心血管病的治疗尚未应用于临床试验。然而,I / II期研究癌症治疗使用液已经证实其普遍的安全(219年,227年]。
5。结论
使用SCs治疗心血管病的策略被认为是最有前途的方法对心脏再生,旨在补充或取代目前现有的临床治疗方案。事实上,大量的临床前研究展示了强大的再生SCs的潜力。然而,由于不一致的临床试验的结果和移植SCs的低效率,这个概念不能完全满足预期和广泛融入临床实践。因为SCs的治疗潜力是无可置否的,研究人员取得了相当大的努力显著改善的有效性SCs修改生成的细胞产品。
尽管修改SCs的效率已被证明是比普通的细胞在体外和在活的有机体内,大多数研究集中在一个单一的策略来改善治疗结果。然而,心血管疾病与多种机制参与发病机制复杂疾病。因此,需要治疗的概念与复杂的活动。因此,同时提高细胞疗法,它是至关重要的考虑到多个特性应该同时促进。例如,它不足以提高细胞存活率或保留,但同时,proangiogenic深厚,心血管活动应该保障,和年龄相关性下降SC效率应该被消除。几个策略可以用来遵循这一原则,包括基因细胞修饰,细胞因子预处理和药理治疗或他们的混合动力车。
为了达到最高的可能结果SC治疗,病人的系统响应预测应该发达。之前它已经表明,患者更糟糕的基线条件对骨骨髓来源的单核细胞疗法,而其他人有更好的健康状况没有(228年,229年]。因此,需要一个系统,允许分类和选择匹配的患者细胞疗法。等离子体分析的患者可以帮助发现新颖的生物标志物识别反应者和nonresponders [230年]。最近,在完美III期临床试验,nonresponse内皮祖细胞管理被发现与SH2B3蛋白的表达(165年]。
总而言之,SC的整个概念修改已经被证明是可行的和安全的在临床试验中使用msc (231年,232年]。广泛的工作仍然需要生成强大的现成的SC疗法。一起个性化细胞疗法(例如,反应者与nonresponders), SCs可能实现的期望小说为心脏病患者治疗选择。
信息披露
纳塔莉亚Voronina目前的地址是分子遗传学,德国癌症研究中心(DKFZ), Im Neuenheimer菲尔德580年69120海德堡,德国,根据公共法律基础。
的利益冲突
作者声明没有利益冲突,关于这篇文章的出版。
作者的贡献
海科Lemcke和Natalia Voronina同样这项工作。
确认
作者感谢Ulrike鲁赫博士和科妮莉亚勒克斯的建设性意见和帮助在手稿准备。这项工作是支持的德国联邦教育和研究(FKZ 0312138和FKZ 316159),该州Mecklenburg-Western波美拉尼亚与养养养型/ IVWM-B34-0030/10和/ IVBM-B35-0010/12)和脱硫(DA1296-1)。此外,罗伯特·大卫是由联合国支持的项目罗斯托克大学医学中心(889001),潮湿的基金会,BMBF (VIP + 00240)。海科Lemcke是由联合国支持的项目的罗斯托克大学医学中心(889006)和Kathe和约瑟夫Klinz基金会(T319/29737/2017)。